过剩正电子真凶是脉冲星还是暗物质

脉冲星能解释“过剩”正电子吗？

欧洲物理学家表示，通过AMS-02实验的观测，也许可以不用暗物质解释“过剩”正电子，相反，已知的天体物理学进程（比如脉冲星和宇宙射线）就可完全解释。

用暗物质来解释？

2013年4月，安装在国际空间站的阿尔法磁谱仪（AMS-02）观测到的证据证实，来自太阳系以外的正电子（电子的反物质对应物）的比例出现了激增。传统观念认为，银河系中产生正电子的主要方式是星系盘外散布的的高能质子，这样的方案一般会看到大量的电子从高能状态跃迁回低能状态。然而，AMS-02的观测结果似乎表明，在10GeV(亿电子伏特)能及以上，正电子随能量的增加而增多。这些数据支持了帕梅拉卫星（PAMELA，探测宇宙线荷电粒子）和费米卫星（Fermi，探测伽马射线）分别在2008年和2011年的发现。

图源：“过剩”正电子测定实验AMS-02 （安装在国际空间站的AMS-02是第一个在外太空运行的大型精确粒子物理磁谱仪，能精确测量GeV到TeV是宇宙线各成分能谱。AMS-02的主要物理目标之一是寻找暗物质。）

一些物理学家认为暗物质可能是导致这种过剩的原因，此能量范围内大量“过剩”正电子也许是通过暗物质的最可能组成——大质量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles，简称WIMPs）的湮灭导致的。另一些人对观察到正电子过剩的现象表示怀疑。近几年，意大利都灵大学的物理学家马荻亚•迪莫罗（Mattia Di Mauro）带领的团队提供了一个新天体模型。这个模型能够在不引用“暗物质”这个天体模型的情况下解释包括高能正电子比例激增在内的AMS-02提供的数据，虽然这并不排除引用“暗物质”作为解释的一种选择。迪莫罗告诉天文在线，“为与观测结果一致，仍可能改变包括对此有贡献的暗物质模型在内的天体物理学的参数。”但是，当解释这个意外的比例激增时，玛蒂迪亚团队的观点是其与脉冲星而不是这个新模型有关。

正电子流

脉冲星是一个有强磁场的高速自转的中子星。强磁场可以转变为电场，将脉冲星表面的带电粒子撕裂并加速释放到宇宙中。之后，这些被撕裂的粒子形成包括电子和正电子在内的粒子流或反粒子对，它形成的部分“脉冲星风”吹出的星风粒子将注入到星际介质中。迪莫罗和他的同事能通过澳大利亚国家望远镜设备（Australia Telescope National Facility ，简称ATNF）的脉冲星目录模拟传统脉冲星散射的电子或正电子流。

他们之后验证了这些粒子在银河系中的传播方式，即与银河系中的辐射区相互作用而失去能量。这样，他们就能算出正电子到达地球的能量与数量。迪莫罗说，“这些AMS-02观测到的高能正电子流与目前ATNF目录能够得出一个很棒的结论。”根据AMS-02的数据，这个团队也建立了来源于“附加”正电子源（比如超新星遗迹）的“附加”正粒子流模型，来对低能量区进行研究，而这些“附加”正电子源是宇宙射线与星际介质相互作用产生的。

但谁都不能确定。苏比•萨卡尔（Subir Sarkar）说，“我认为对于大部分‘额外’正电子的产生，最合理的解释是由地球附近的超新星残骸中的脉冲星风驱动的冲击波导致的。”他将他的时间分为两部分，一部分在哈佛大学，另一部分在宾夕法尼亚大学。美国斯坦福大学的菲利普•梅尔茨（Philipp Mertsch）表示，萨卡尔在2009年第一次提出冲击波加速了宇宙射线，冲击波导致了宇宙射线在其波面与地球间反复往返。一些在冲击波传播路线上的正电子也被加速，同时消耗能量作为冲击波的助推器，这就能解释产生“额外”正电子现象的原因。

梅尔茨和萨卡尔更新了他们的建议，最重要的是，他们所做的猜想可以区分这两种解释。他们希望未来AMS-02在高能量区的数据中，质子与反质子比、硼碳比都呈现上升趋势。最终答案也许会在下次AMS-02资料组公开后出现。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Violet- physicsworld-Colin Stuart

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